一種高輸出電壓的壓電陶瓷驅動電源的研究

摘 要:壓電陶瓷驅動電源是壓電陶瓷微位移器應用中的關鍵部件。PA85A是一種高壓、高精度的MOSFET運算放大器。本文提出了一種基于PA85A的單端供電的新型壓電陶瓷驅動電源，介紹了該電源設計原理并對其性能進行了分析和測試。該電源具有集成度高，響應速度快，驅動力強，穩(wěn)定性好，輸出電壓高達(396.8V)的特性，能有效用于光纖光柵傳感系統(tǒng)中。

關鍵詞:壓電陶瓷 單端供電 驅動電源

中圖分類號:T721文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)04(c)-0002-01

壓電陶瓷具有體積小、分辨率高、響應快、推力大等一系列優(yōu)點，用它制成的壓電驅動器廣泛應用于微位移輸出裝置、力發(fā)生裝置、微型機器人、光學掃描器等領域。壓電陶瓷的使用要有好的相應驅動電源，因此，壓電陶瓷的驅動電源技術已成為當前的研究熱點[1]。

1 驅動電源組成

從原理上講，主要有電壓驅動型和電荷驅動型兩種。其中電壓控制型驅動電源主要有基于直流變換器原理的開關式驅動電源和直流放大式電源兩種形式，一種是基于直流變換原理開關式驅動電源，這種方法的功率損耗小、效率高、體積小，但高頻干擾較大，電源輸出紋波較大，頻響范圍較窄。另一種是直流放大式驅動電源。這種電源輸出紋波小，頻響范圍較寬，目前高壓運放技術日趨完善。本文電源采用直流放大式電路。微處理器通過數(shù)模轉換器(DAC) 產生波形信號，經(jīng)運算放大電路和由PA85A組成的功率放大電路實現(xiàn)信號的放大。

驅動電源具體要求為:

(1)輸出電壓0～396.8V連續(xù)可調。

(2)頻率為0～1kHz。

(3)分辨率<10mV。

(4)根據(jù)最高頻率和最大電壓波動范圍計算所需的轉換速率S.R=1.9V/μs。

2 驅動電源的設計與實現(xiàn)

2.1 PA85A簡介

PA85A是APEX公司生產的一種高壓、大帶寬的MOSFET運算放大器，最大輸出電流達到200 mA，具有很高的電源電壓抑制比。而且，PA85A運算放大器集運算放大電路，功率放大電路，保護電路于一體，使電路集成度大大提高，減小了體積，提高了電路的可靠性。

2.2 線性放大電路設計與分析

線性放大電路的設計是驅動電源設計的關鍵。由于壓電陶瓷位移與其兩端電壓基本上呈線性關系的原理，可以通過控制壓電陶瓷兩端電壓來控制其位移。本文設計的驅動模塊的核心放大電路采用雙級放大結構。其中，前置低壓誤差放大器OP07以獲得較小輸入偏置電壓與較高帶寬;后置單端供電的高壓功率放大器PA85A以獲得大輸出功率及高耐壓特性。通過兩個放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)，使整個放大系統(tǒng)的整體帶寬與放大倍數(shù)可調解。核心放大電路原理圖如圖1所示。

D1、D2和D3、D4是快速恢復二極管，將運放輸入端的電壓限制在0.7V，對運放的輸入端起保護作用。R5是限流電阻，使PA85A工作在安全范圍內，容性負載可以等效為0.1μF的電容C8。

2.2.1 放大倍數(shù)的分配

復合放大器的輸入電壓為0～6.4V，輸出電壓為0～396.8V，由此確定復合放大器的放大倍數(shù)為62。增益過大會影響運放的穩(wěn)定性，在該電源中選定PA85A的閉環(huán)放大倍數(shù)為31，OP07的閉環(huán)放大倍數(shù)為2，OP07與PA85A串聯(lián)，二者共同提供的放大倍數(shù)為62。根據(jù)放大倍數(shù)的分配確定:

R1=100k， R2=100k，R3=6k，R4=180k。

2.2.2 輸入失調電壓的補償

在OP07和PA85A組成基本放大電路中，為了減小輸入失調電壓，由放大器OP07用來控制精度和溫漂，由OP07的手冊可知，其值為75V左右，在整個放大電路的值為:75μV×62=4.65 mV<10mV，滿足對電路輸入特性的要求。

2.2.3 放大電路相位補償

集成運放的相位補償可通過補償引線端，輸入端和輸出引線端外接RC補償元件，構成相位補償網(wǎng)絡，實現(xiàn)相位補償。電路中PA85A一級的閉環(huán)放大倍數(shù)為31，根據(jù)APEX公司提供的PA85A的數(shù)據(jù)資，如圖2所示，

這個增益與20較接近，由此確定選擇相位補償電阻值和電容值分別為

=330 =10pF

3 驅動電源的實驗結果

輸出電壓范圍／V:0～396.8

峰值輸出電流／mA:150

分辨率／mV:＜10

穩(wěn)定性(8 h)／.％:＜0.1

為了測試驅動電源的動態(tài)性能，我們還對其階躍響應及三角波信號激勵下的響應進行了測試，從實驗結果可知，新型驅動電源的延遲很小，具有良好的動態(tài)性能。

4 結語

采用單端供電的PA85A和OP07組成復合式負反饋放大電路設計了一種單電源供電的壓電陶瓷驅動電源，其具有很高的輸出電壓(396.8V)，電壓穩(wěn)定，以及輸出電壓紋波非常小等優(yōu)點。同時PA85A及其外圍電路具有過壓、過流、短路保護等功能，其可靠性高，具有很高的實用價值。

參考文獻

[1]劉巖，鄒文棟.一種高速壓電陶瓷驅動器驅動電源設計[J].壓電與聲光，2008，(1)，48～52.

[2]apex—vl l—databook．http://eportal．apexmicrot—ech．corn／mainsite／products／pages／op—amps.

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